Źródło: ines-solaire.org
CEA w INES wyprodukowała pierwszy prototyp mikroinwertera fotowoltaicznego o mocy 400 W, wykonanego z tranzystorów GaN, opracowanego przez laboratoria CEA w Leti.
Oferuje wysoką gęstość mocy 1,1 kW/l i sprawność 97 procent (w porównaniu z 0,3 kW/l i 95 procent w przypadku konwencjonalnych technologii wykorzystujących komponenty krzemowe).
Panele fotowoltaiczne generują stały prąd elektryczny. Do podłączenia ich do sieci elektrycznej potrzebny jest falownik, który dostarcza prąd przemienny do odbiorców. Ten etap konwersji prowadzi do strat energii, które można zminimalizować za pomocą nowych komponentów.
Duże elektrownie fotowoltaiczne naziemne, a także instalacje instalowane na budynkach usługowych lub przemysłowych są wyposażone w falowniki „scentralizowane” lub „ciągowe” i podłączone do trójfazowej sieci elektrycznej.
W przypadku instalacji domowych dostępna sieć elektryczna jest jednofazowa i niskonapięciowa. Panele fotowoltaiczne instalowane na dachach są potencjalnie bardziej zacienione, co prowadzi do strat. Dlatego interesujące jest powiązanie falownika z każdym panelem fotowoltaicznym, co pozwala na niezależną pracę między modułami, optymalną wydajność jednostkową i bardzo modułową pracę (łatwa wymiana). Ten typ falownika o mocy od 200 do 500 W nazywany jest mikroinwerterem. Jest instalowany z tyłu każdego panelu.
Sprzęt ten wykorzystuje kluczowe komponenty: półprzewodniki mocy.
CEA w INES opracowuje inwertery nowej generacji, aby obniżyć koszty, poprawić wydajność energetyczną i wspierać sieć energetyczną. Kompaktowość tych obiektów jest również problemem w celu kontrolowania wpływu na koszty instalacji i utrzymania elektrowni oraz minimalizacji zużycia materiałów.
W naszych badaniach koncentrujemy się na architekturze elektronicznej i wykorzystujemy półprzewodniki o dużej przerwie, takie jak węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN), w szczególności te opracowane w laboratoriach CEA-LETI w Grenoble.
Technologia GaN jest jedną z tzw. technologii „szerokopasmowych” (półprzewodników szerokopasmowych), które przesuwają granice półprzewodników mocy wykorzystujących krzem.
Pozwala na miniaturyzację i zwiększenie efektywności energetycznej przy jednoczesnej redukcji kosztów.
Przemysł fotowoltaiczny i motoryzacyjny (z pojazdami elektrycznymi) są głównymi motorami wzrostu dla tych nowych konwerterów opartych na półprzewodnikach GaN lub SiC.
CEA-Leti dysponuje najnowocześniejszą epitaksją (600 V i 1200 V) oraz technologią produkcji diod GaN 600 V i tranzystorów mocy, które przewyższają krzemowe odpowiedniki. Dzięki tej współpłaszczyznowej technologii możliwe byłoby uczynienie elementu mocy „inteligentniejszym” z funkcjami ochrony (temperatura, napięcie, prąd itp.) i sterowania (sterownik). Możliwe jest również zaprojektowanie dwukierunkowych wyłączników napięciowych, których obecnie nie ma.
CEA w INES zbudowała stanowisko do wysokotemperaturowej charakteryzacji dynamicznej dla tych nowych tranzystorów GaN, a także pierwszy prototyp mikroinwertera fotowoltaicznego o mocy 400 W, wykorzystującego tranzystory wykonane przez Dział Komponentów CEA Leti. Ten mikroinwerter składa się z dwóch etapów konwersji:
- Stopień DC/DC składający się z 5 tranzystorów GaN 100V
- Stopień DC/AC składający się z 4 tranzystorów GaN 650V
Druga generacja mikroinwerterów planowana jest na koniec 2022 roku, wykorzystując zoptymalizowane tranzystory GaN. Inne rozmiary inwerterów będą również ukierunkowane na udowodnienie koncepcji na wyższych mocach.
Oczekuje się, że ta technologia trafi na rynek do 2025-2027. W międzyczasie naukowcy z CEA-Leti i CEA-Liten z INES udoskonalą technologię i opracują zintegrowany cyfrowy system sterowania. Zespół zaprezentuje nowe prototypy w nadchodzących latach.
Praca ta jest przedmiotem patentów oraz kilku artykułów i prezentacji na konferencjach międzynarodowych (PCIM, EPE).
